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lOMoAR cPSD|3707762 lOMoAR cPSD|3707762 Scientia et Technica Año XVI, No 49, Diciembre de 2011. Universidad Tecnológica de Pereira. ISSN 0122-1701 1 LABORATORIO 6 DIFRACCIÓN DE LA LUZ Laboratory 6: light diffraction Autor 1: Yenny Cristina Villarraga Carmona, Departamento de Física, Universidad Tecnológica de Pereira, Pereira, Colombia Correo-e:villarragacris@hotmail.com Resumen: En el siguiente informe están recopilados todos los resultados experimentales hallados durante la práctica de laboratorio, estos se dividen en tres diferentes experiencias como lo son: Difracción por una rendija rectangular simple, en la cual se rotan las poleas del sensor de translación lentamente para mover todo el sistema desde el tope plástico hasta el otro extremo del patrón de difracción, mostrándose una gráfica en la pantalla, se repite este proceso dos veces con rendijas diferentes. Difracción por una rendija rectangular doble donde se hace lo mismo que para el anterior procedimiento, y por último para rendijas múltiples que funciona de igual manera, lo que cambia es la gráfica para cada caso. Palabras claves: rendijas dobles, difracción de la luz, poleas, banco óptico, diodo láser. I. INTRODUCCIÓN El siguiente documento consiste en el análisis y estudio de difracción de la luz producida a partir de un láser que pasa por cada una de las rendijas empleadas en el laboratorio (rendijas simples, rendijas dobles, rendijas múltiples), con los datos obtenidos en esta práctica se realizaron los respectivos cálculos para hallar la distancia entre rendijas y el ancho de cada una de ellas; analizando así los patrones de difracción que proporciona la luz por medio de las rendijas. II. CONTENIDO A continuación se muestra cual es el contenido de la practica Difracción de la luz 1. OBJETIVOS ● Estudiar el patrón de difracción dado por rendijas rectangulares sencillas, dobles y múltiples.. ● Medir las constantes correspondientes en cada caso de las rendijas 2. MARCO TEORICO El fenómeno de la difracción se presenta cuando una onda interactúa con objetos cuyas dimensiones son comparable con su longitud de onda. Si el objeto con el cual interactúa la luz posee dimensiones muy grandes comparadas con su longitud de onda, se estará en el campo de la óptica geométrica; pero si las dimensiones del objeto son comparables con la longitud de onda de la luz se estará en el campo de la óptica física. La longitud de onda de la luz visible está en el rango entre 780 nm y 390 nm aproximadamente. Para que la luz pueda producir un patrón de difracción observable, ésta debe interactuar con objetos que posean dimensiones comparables con estos valores; es por esta razón que el fenómeno no es fácilmente apreciable a simple vista siendo necesarias ciertas condiciones de laboratorio para ser observado. A su vez el estudio de la difracción puede dividirse en dos partes: la difracción de Fraunhofer y la difracción de Fresnel. La difracción de Fraunhofer se supone que las ondas incidentes al objeto son planas al igual que las ondas emergentes del mismo. La difracción de Fresnel tiene lugar cuando la fuente puntual de las ondas incidentes, o el punto de observación desde el cual se las ve, o ambos, están a una distancia finita del objeto. Difracción de Fraunhofer por una rendija rectangular La teoría asociada con la difracción por una rendija rectangular considera una rendija muy angosta y muy larga. mailto:villarragacris@hotmail.com lOMoAR cPSD|3707762 Scientia et Technica Año XVI, No 49, Diciembre de 2011. Universidad Tecnológica de Pereira. Cada punto del frente de onda plano se convierte en fuente de pequeñas ondas esféricas secundarias; estas ondas difractadas se recombinan en una pantalla sobre la cual se observa un patrón de difracción. Distribución de intensidad en el diagrama de difracción de una rendija angosta y larga. Puede demostrarse que la condición para que haya interferencia destructiva en la pantalla debe cumplir la condición: convenientemente, el patrón observado en la pantalla consiste en la difracción de una sola rendija. En la práctica lo que se observa es una forma parecida al patrón de difracción para la rendija doble extendida al caso de N rendijas. En este caso la condición para interferencia constructiva está dada por la expresión: Figura 2. Difracción de Fraunhofer por una rendija múltiple PROCEDIMIENTO Difracción por una rendija rectangular Difracción por una rendija doble El patrón de difracción por dos rendijas paralelas iguales, resulta de la interferencia de los dos patrones de difracción provenientes de cada una de las rendijas. Lo que se observa en la pantalla es un patrón de interferencia de Young producido por dos rendijas rectangulares modulado por un patrón de difracción de Fraunhofer por una rendija rectangular. En este caso los máximos de interferencia están dados por la siguiente expresión: Rendija de Difracción múltiple La rendija de difracción consiste en un gran número de rendijas paralelas idénticas de ancho b y separadas una distancia d. cuando la rendija es iluminada Coloque el accesorio de rendijas simples en el banco óptico. Sitúelo a 1.00m de distancia del sensor de luz. Asegúrese que el colimador debe estar en la abertura más estrecha (0,1mm) para minimizar la luz ambiental incidente sobre el sensor. Se realiza la práctica con las rendijas sencillas tomando la 1 y la 2 respectivamente, el valor teórico del ancho de las rendijas es: para la rendija 1 es de 0.1mm y para la segunda es de 0.3 mm. Estos fueron los resultados obtenidos: 1. Las notas de pie de página deberán estar en la página donde se citan. Letra Times New Roman de 8 puntos lOMoAR cPSD|3707762 Scientia et Technica Año XVI, No 49, Diciembre de 2011. Universidad Tecnológica de Pereira. Gráfica 1. Gráfica de los datos obtenidos empleando la rendija sencilla 1. Gráfica 2. Gráfica de los datos obtenidos empleando la rendija sencilla 2. Difracción por una rendija doble Monte el accesorio con múltiples rendijas en lugar del accesorio de rendijas Simples. Escoja en primer lugar una de las rendijas dobles disponibles en el accesorio. Rote el accesorio para hacer incidir la luz láser sobre ella. Cuando se empleó las rendijas dobles, en este caso se tomaron 2, una con el valor de 0,04 mm para el ancho de la rendija y 0,25 mm para la separación entre ellas; la otra que se tomó tiene un valor de 0,08 mm de ancho de la rendija y 0,50 mm de separación entre las dos rendijas. En este caso las gráficas que se obtuvieron a partir de los datos fueron: Gráfica 3. Gráfica de los datos obtenidos empleando la rendija doble de 0.04mm de ancho. Gráfica 4. Gráfica de los datos obtenidos empleando la rendija doble de 0.08mm de ancho. Rendijas Múltiples: Con las rendijas múltiples se realiza el procedimiento anterior, dejando deslizar el carro para que el láser pase por cada una de las rendijas empleadas y así poder tomar nuevamente los datos. Las rendijas que se utilizaron para este punto fueron la 2 y 3, que poseen un ancho de 0,04 mm y de distancia entre ellas de 0,125 mm. En este caso las gráficas que se obtuvieron a partir de los datos fueron: lOMoAR cPSD|3707762 Scientia et Technica Año XVI, No 49, Diciembre de 2011. Universidad Tecnológica de Pereira. 2 0.008 3 0.013 Gráfica de los datos obtenidos empleando la rendija múltiple N°2. Gráfica 6. Gráfica de los datos obtenidosempleando la rendija múltiple N°3. ANÁLISIS DE RESULTADOS • Utilizando un programa como el EXCEL, mida gráficamente las distancias entre el máximo central y mínimos a cada lado en el caso de difracción por una sola rendija. Para dos o más rendijas mida la distancia entre el máximo central y los máximos y mínimos secundarios laterales. Tabla 1. Rendija simple No. 1 x Distancia(m) 1 0.006 2 0.011 Tabla 2. Rendija simple No.2 Tabla 3. Rendija doble No. 1 (d) Tabla 4. Rendija doble No. 2 (d) Tabla 5. Rendija doble No. 1 (b) x Distancia (m) 1 0.016 2 0.017 3 0.009 Tabla 6. Rendija Doble No.2 (b) Tabla 6. Rendija Múltiple No. 1 (d) Tabla 7. Rendija Múltiple No.2 (d) Tabla 8. Rendija Múltiple No. 1 (b) Tabla 9. Rendija Múltiple No. 2 (b) • Con los datos obtenidos en el numeral 6.5.1 y con la ecuación 6.1. Encuentre el ancho de la rendija rectangular usada. Compare el valor obtenido con el proporcionado por el fabricante. Estime el error en la medida de b, teniendo en cuenta que b es función de θ. bSenɵ= m λ m=1, 2, 3 L= m 1. Las notas de pie de página deberán estar en la página donde se citan. Letra Times New Roman de 8 puntos x Distancia(m) 1 0.01 lOMoAR cPSD|3707762 Scientia et Technica Año XVI, No 49, Diciembre de 2011. Universidad Tecnológica de Pereira. L= 1.0 m m= 1, 2, 3 λ = 650 × 10-9um b* tanϴ = m* λ x b * L = m* λ Para la Rendija Simple 1: b = 0.08 mm Incertidumbre: %Error= (0.1mm – 0.115 mm) / 0.1mm %Error= 15% • Con los datos obtenidos en el numeral 6.5.2 y con las ecuaciones 6.1 y 6.2, encuentre la separación d y el ancho b para cada una de las rendijas dobles. Halle el error respectivo. Compare con los valores escritos en las rendijas. L= m L= 1.0 m m= 1, 2, 3 λ = 650 × 10-9m d* sinϴ = m* λ sinϴ se aproxima a tanϴ d* tanϴ = m* λ ∆b= λ m (∂/∂ϴ)1/sinϴ (∂ϴ/∂x) ∆x ∆b= 650 × 10-9 (1.0 m)( 1/ sin(x/L)) *1.0mm*0.5 ∆b= 650 × 10-9 mm (1.0m)(0.08)) *1.0m* 0.5 ∆b= 2.6× 10-8 x d * L = m* λ El ancho de la rendija calculado es igual a 0.08 mm comparado con el del fabricante tenemos que es igual a 0.1 b* tanϴ = m* λ mm. Calculando el error tenemos: %Error= (0.1mm – 0.08 mm) / 0.1mm %Error= 20% b * x L = m* λ Rendija Simple No.2 b =0.115 mm Incertidumbre: ∆b= λ m (∂/∂ϴ)1/sinϴ (∂ϴ/∂x) ∆x ∆b= 650 × 10-9 (1.0 m)( 1/ sin(x/L)) *1.0mm*0.5 ∆b= 650 × 10-9 mm (1.0m)(0.115)) *1.0m* 0.5 ∆b= 3.737× 10-8 El ancho de la rendija calculado es igual a 0.115 mm comparado con el del fabricante tenemos que es igual a 0.1 mm. Calculando el error tenemos: Rendija Doble No. 1 d= 0.253 Incertidumbre ∆b= λ m (∂/∂ϴ)1/sinϴ (∂ϴ/∂x) ∆x ∆b= 650 × 10-9 (1.0 m)( 1/ sin(x/L)) *1.0mm*0.5 ∆b= 650 × 10-9 mm (1.0m)(0.253)) *1.0m* 0.5 ∆d= 8.22× 10-8 La separación de la rendija es igual a 0..253 mm comparado con el fabricante tenemos que es igual a 0.25mm Calculando el error porcentual tenemos: %Error= (0.25mm – 0.253mm) / 0.25mm %Error= 1.2% b= m∗λ∗L x d= m∗λ∗L x m∗λ∗L b= x lOMoAR cPSD|3707762 Scientia et Technica Año XVI, No 49, Diciembre de 2011. Universidad Tecnológica de Pereira. b = 0.03mm Incertidumbre: ∆b= λ m (∂/∂ϴ)1/sinϴ (∂ϴ/∂x) ∆x ∆b= 650 × 10-9 (1.0 m)( 1/ sin(x/L)) *1.0mm*0.5 ∆b= 650 × 10-9 mm (1.0m)(0.03)) *1.0m* 0.5 ∆d= 9.75× 10-9 El ancho de la rendija es igual a 0.03 mm comparado con el del fabricante tenemos que es igual a 0.04 mm. Calculando el error porcentual tenemos: %Error= (0.04mm – 0.03mm) / 0.04mm %Error= 25% Rendija doble No. 2 d = 0.173mm Incertidumbre: ∆b= λ m (∂/∂ϴ)1/sinϴ (∂ϴ/∂x) ∆x ∆b= 650 × 10-9 (1.0 m)( 1/ sin(x/L)) *1.0mm*0.5 ∆b= 650 × 10-9 mm (1.0m)(0.173)) *1.0m* 0.5 ∆d= 5.622× 10-8 La separación de la rendija es igual a 0.173mm comparado con el fabricante tenemos que es igual a 0.50mm Calculando el error porcentual tenemos: %Error= (0.50mm – 0.173mm) / 0.50mm %Error= 65.4% b = 0.06mm Incertidumbre: ∆b= λ m (∂/∂ϴ)1/sinϴ (∂ϴ/∂x) ∆x ∆b= 650 × 10-9 (1.0 m)( 1/ sin(x/L)) *1.0mm*0.5 ∆b= 650 × 10-9 mm (1.0m)(0.06)) *1.0m* 0.5 ∆d= 1.625× 10-8 La separación de la rendija es igual a 0.06 mm comparado con el fabricante tenemos que es igual a 0.08mm Calculando el error porcentual tenemos: %Error= (0.08mm – 0.06mm) / 0.08mm %Error= 25% Rendija Múltiple No.1 d = 0.026mm Incertidumbre: ∆b= λ m (∂/∂ϴ)1/sinϴ (∂ϴ/∂x) ∆x ∆b= 650 × 10-9 (1.0 m)( 1/ sin(x/L)) *1.0mm*0.5 ∆b= 650 × 10-9 mm (1.0m)(0.026)) *1.0m* 0.5 ∆d= 8.45× 10-9 La separación de la rendija es igual a 0.026mm comparado con el fabricante tenemos que es igual a 0.125mm Calculando el error porcentual tenemos: %Error= (0.125mm –0.026mm) / 0.125mm %Error= 79.2% b = 0.03mm Incertidumbre: ∆b= λ m (∂/∂ϴ)1/sinϴ (∂ϴ/∂x) ∆x ∆b= 650 × 10-9 (1.0 m)( 1/ sin(x/L)) *1.0mm*0.5 ∆b= 650 × 10-9 mm (1.0m)(0.03)) *1.0m* 0.5 ∆d= 9.75× 10-9 El ancho de la rendija es igual a 0.03 mm comparado con el del fabricante tenemos que es igual a 0.04 mm. Calculando el error porcentual tenemos: %Error= (0.04mm – 0.03mm) / 0.04mm %Error= 25% III CONCLUSIONES 1. Se estudió el patrón de difracción dado por las rendijas rectangulares sencillas, dobles y múltiples. 1. Las notas de pie de página deberán estar en la página donde se citan. Letra Times New Roman de 8 puntos lOMoAR cPSD|3707762 Scientia et Technica Año XVI, No 49, Diciembre de 2011. Universidad Tecnológica de Pereira. 2. Se logró medir las constantes correspondientes en cada caso de las rendijas. 3. Realizando el fenómeno de difracción podemos obtener y evaluar distancias referentes a diámetros exteriores, diámetros por medio de aberturas circulares y cualquier abertura que pueda ser atravesada por el láser. 4. Aunque los resultados obtenidos son buenos porcentualmente hablando, se debe aclarar que esto puede ser porque algunas de la graficas poseen unos máximos pequeños y unas distancias pequeñas, es decir que las gráficas no son las más adecuadas para hacer el análisis debido a que a medida que aumentaba el número de rendijas también debería aumentar el número de picos, lo cual no se evidencia en nuestra práctica. 5. Los patrones de difracción que se emplearon dependen del cuerpo de interferencia que se utilizó, es decir de la clase de rendijas que se empleó. REFERENCIAS Arcos Velasco Héctor Iván, Cruz Muñoz Beatriz Holguín Tabares Carlos Arturo, Marín Ramírez William Medina Milton Humberto, Quiroga Hurtado John Ramírez Ramírez Ramiro, Riascos Landázuri Henry Zuluaga Hernández Raúl Antonio, Guía de laboratorio fisca III Pereira Agosto 2011, practica 5, pagina 28 [20 de febrero] Disponible en: http://media.utp.edu.co/facultad- ciencias-basicas/archivos/contenidos-departamento-de- fisica/guiaslabrdeiiiingenierias2012.pdf http://media.utp.edu.co/facultad- lOMoAR cPSD|3707762 Scientia et Technica Año XVI, No 49, Diciembre de 2011. Universidad Tecnológica de Pereira.
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